第3章-染色体-基因组和基因.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第一节：原核生物和真核生物细胞,第二节：基因、基因组和,C,值,第三节：原核生物染色体及基因特征,第四节：染色质结构,第五节：真核生物染色体及结构特征,第六节：真核生物基因,1,第一节 原核生物与真核生物细胞,按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布，可将生命有机体划分为原核生物和真核生物两大类。,原核生物,没有真正的细胞核，遗传物质存在于整个细胞之中，有时虽有相对集中的区域，但并无核膜围绕。,真核生物,的遗传物质集中在有核膜包围着的细胞核中，并与某些特殊的蛋白质相结合成为核蛋白以构成一种细密的结构，这种结构叫做染色体。,2,原核生物,（,Prokaryotes,）,遗传物质类核或拟核,习惯上也称为染色体,3,原核生物和真核生物的差别,6,第二节 基因、基因组与,C,值,一、基因的概念,1.,对基因的认识,基因的染色体遗传学阶段,1909,年，丹麦生物学家,W.Johannsen,首先使用基因一词，其概念与当年孟德尔提出的“遗传因子”完全一致，这一阶段基因是,逻辑推理的产物,，用作表示生物性状的符号，并无实质内容；,7,1910,年，,Morgan,指出基因在染色体上直线排列，基因代表着一个,有机的化学实体,；,Morgan,的染色体,基因遗传理论,，,Gene,存在于染色体上。进一步将“,性状,”与“,基因,”相耦联，成为现代遗传学的奠基石。,基因概念的提出,8,Theory of the gene,基因是染色体上的实体,基因象,链珠,(bead),一样，孤立地呈,线状地排列在染色体上,基因是：,功能,(functional unit),突变,(mutation unit),交换,(cross-over unit,),“三位一体”的,(Three in one),最小的,不可分割的,基本的,遗传单位,(1926,T.H.Morgan,),9,基因的分子生物学阶段,1944,年，,Avery,等的肺炎球菌转化实验证明基因的本质是,DNA,；,1953,年，,Watson,和,Crick,提出,DNA,双螺旋模型；,10,1955,年，遗传学家,Benzer,提出顺反子（,Cistron,）学说,cis,-acting sites and,trans,-acting molecules,11,1961,年，,R.Jacob,和,J.Monod,提出了,操纵元,（又称操纵子）的概念；,揭示了原核生物基因表达调控的规律，将基因分为“,结构基因,”、“,操纵基因,”和“,调节基因,”，以及后来发现的,启动基因,。,12,反向生物学阶段,重组,DNA,技术,核酸杂交技术,基因：一般是指表达一种蛋白质或功能,RNA,的遗传物质的基本单位。是能够表达和产生基因产物（蛋白质或,RNA,）的,DNA,序列。,13,2.,基因概念的扩展,移动基因,断裂基因,假基因,重叠基因,14,3.,基因的种类,根据产物类别可分为,蛋白质基因,和,RNA,基因,（,tRNA,基因和,rRNA,基因）；,根据产生物的功能可以分为,结构基因,（酶和不影响其它基因表达的蛋白质）和,调节基因,（阻碍蛋白或转录激活因子）两大类。,15,一个物种的单倍染色体的数目称为该物种的基因组,(genome),。,基因组,(genome),：是指细胞或生物体的全套遗传物质，即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体所含的全部基因（,DNA),。,如人基因组的全长为大约,310,9,对碱基，编码,3-4,万个蛋白分子。,二、基因组的概念,16,一个单倍体基因组的,DNA,含量总是恒定的，是物种所特有的，称为,C,值,(C-value),。,C,值是每种生物的一个特征，不同物种的,C,值差异极大，最小的支原体（,mycoplasma,）只有,10,4,bp,，而最大的如某些显花植物和两栖动物可达,10,11,bp,。,17,低等真核生物的单倍体基因组,DNA,含量,18,各种生物基因组大小比较,(,从原核生物到哺乳动物,),19,不同物种的,C,值差异很大，随着生物的进化，生物体的结构与功能越复杂，其,C,值就越大。,在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，它们的,C,值可以相差数,10,倍乃至上百倍。,哺乳动物,(,包括人类,),的,C,值均为,10,9,bp,的数量级，人们很难相信两栖动物的结构和功能会比哺乳动物更复杂。,C,值矛盾：,无法用已知的功能解释生物如此大的,DNA,量。,20,与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的,DNA,含量过多。即基因组大小与遗传复杂性并非线性相关，称为,C,值矛盾,(Paradox),。,例：人类与,E.coli,编码基因数目的比较研究,E.coli.4,10,6,bp DNA,约编码,3000,种基因,人类,310,9,的,DNA,，是大肠杆菌的,700,多倍,有上百万个基因？,三、,C,值矛盾,21,根据不同细胞中的,mRNA,数目来估算表达基因的方法，,哺乳动物的每种表型的细胞表达的基因约为,1,10,4,个，,这样整个哺乳动物的基因数目要多于每种细胞的表达数，估计应该有,110,5,个,（不同书上有一定偏差），,约为大肠杆菌的,30,倍，那么,90,以上的,DNA,功能何在？,22,常见实验生物基因组的大小,23,就哺乳动物而言，由于哺乳动物的基因含有所谓的“内含子”，因而基因可长达,5000-8000 bp,，少数可达,10 000 bp,。即使按这样大小的基因进行推算，哺乳动物的基因组相当于,400 000-600 000,个基因，这是可能的吗？,24,基因数估计不会超过这个数字的,10,。,通过,DNA,与,RNA,杂交试验，在特定类型的细胞中表达的基因数目大约是,10 000,个，但各种细胞表达的基因不相同，估计要乘上一个系数（,3-4,）才能得到基因组的基因数目，有功能的基因数目为,30 000-40 000,个。,间接证据是通过对果蝇突变的研究,:,必需基因的总数大约为,5 000,个，其平均基因大小为,2 000 bp,，总长度相当于,10,7,bp,，刚好为基因组大小的,10,。即使考虑这些因素，基因所占基因组的比例也不会超过,20,。,25,2003,年,4,月,14,日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯,柯林斯博士隆重宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。这样，由美、英、日、法、德和中国科学家经过,13,年努力共同绘制完成了人类基因组序列图，在人类揭示生命奥秘、认识自我的漫漫长路上又迈出了重要的一步。,人类基因组“工作框架图”已于,2000,年,6,月完成，科学家发现,人类基因数目约为,3.4,万至,3.5,万个,，仅比果蝇多,2,万个，远小于原先,10,万个基因的估计。,26,持家基因,（,housekeeping gene,）：有些基因是在所有的细胞类型中都表达的，即这些基因的功能为所有细胞所必需（或称组成型基因,constitutive gene,）,。,奢侈基因,（,luxury gene,）,:,仅在某种特定类型的细胞中表达的基因,。,27,第三节、原核生物染色体和基因,28,原核细胞的染色体,1.,位于一个类似“核”的结构,“,类核体”上，由,DNA,和外裹的稀疏蛋白质组成，其中一部分蛋白与,DNA,的折叠有关，另一些则参与,DNA,复制、重组及转录。,2.,原核生物中一般只有一条染色体，且大都带有单拷贝基因；只有很少数基因（如,rRNA,基因）是以多拷贝形式存在；整个染色体,DNA,几乎全部由功能基因与调控序列所组成；几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。（无内含子）,29,一,、大肠杆菌（,Escherichia coli,E.coli,）,1.,大肠杆菌在实际工作中的重要性,经常被当作是所有生物的原型（,archetype,）,a.,在实验室中容易操作,;,b.,生长迅速，要求营养物质简单，能进行很多生理生化过程,;,c.,其有性生殖的存在使得遗传学的研究成为可能,;,d.,能够供应细菌病毒的生长，使病毒的本性即病毒扩增的深入研究成为可能,.,30,2.,大肠杆菌的染色体,31,E.Coli,染色体由长度为,4.6 Mb,的单一闭环,DNA,分子为主。其中,DNA,再与蛋白质结合，如聚合酶、抑制物和其他成分等。,E.Coli,环状染色体,32,DNA,结构域,电镜结构显示，就整体而言，大肠杆菌的基因组是由大量超螺旋的结构域构成的。,33,每一个结构域就是一个,DNA,环；,每一个基因组约有,100,个这样的结构域；,每一个结构域约有,40kb,（,50-100kb,）长的,DNA,组成的紧密的纤丝结构。,34,DNA,结合蛋白,原核生物的染色体中环型的,DNA,由于大量的,DNA,结合蛋白相互作用而进一步受到束缚，这些蛋白中以,HU,蛋白,以及一种分子量较小的碱性二聚体蛋白为主；,35,HU,蛋白,，,a,和,b,亚基，每个,9kd,能够浓缩,DNA,的二聚体，能够将,DNA,裹成一个念珠结构。如果其亚基,hupA,，,hupB,都失去功能，那么,DNA,的一些超螺旋也会消失。,H-NS,蛋白,，,15kd,亚基，和,DNA,结合，与,DNA,拓扑结构有关；,36,1.,一种中性的单体蛋白；,2.,倾向与,DNA,内部弯曲区域发生非特异结合；,3.,具有压缩,DNA,的作用，对,DNA,被包装进入类核以及稳定和限制染色体超螺旋十分必要；,4.,亦称类组蛋白。,H-NS,蛋白,37,类核中，染色体,DNA,成分占,80,，其余为,RNA,和蛋白质,;,4.6 x 10,6,bp,的基因组,DNA,，多种,DNA,结合蛋白质组装成,E.coli,的染色体,;,基因组,DNA,为,双链环状,，总长度为,1100,1400,m,，,1400,个基因都已定位。,（,1,）染色体,DNA,对数生长期的,E.coli,（,2,4,个类核,）,-,丰富的基因组,DNA;,3.,大肠杆菌的遗传物质,38,39,E.coli,的基因结构的特点,a.,功能相关的几个结构基因以操纵元,(operon),的形式存在,其中包括共同的调节基因、启动子,(promoter),、操作子,(operator),，在基因转录时协同动作。,i,Operon,RegulatoryGene,p,o,z,y,a,DNA,m-RNA,-Galactosidase,Permease,Transacetylase,Protein,40,b.,包括功能相关的,RNA,基因也串联在一起,(rrn,操纵元,),，,如：,16S rRNA,、,23S rRNA,、,5S rRNA,基因转录在同一个,转录产物中,;,d,.RNA,基因多拷贝,大多数的,E.coli,菌株都含,有七个,rrn,其中六个分布在,E.coliDNA,的双向复制 起点附近）,.,c.,蛋白质基因通常以单拷贝,的形式存在,;,41,（,2,）质粒,DNA,（,plasmid DNA,）,细菌中另一类遗传物质,环状,DNA,，存在于染色,体之外，能自我复制,质粒也携带许多基因，,如：抗生素抗性基因,42,43,4.,大肠杆菌的酶类,细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类,多种限制性内切酶（,restriction endonuclease,）,只在特异顺序碱基的位点上（迴文序列）与,DNA,结合，并沿固定的位点切割,如：,E.coli,的,EcoR,的识别序列,5.G-A-A-T-T-C3,3.C-T-T-A-A-G.5,限制性内切酶,最基本的工具酶，,在,DNA,测序、片段分离、克隆,DNA,的环节都要利用,44,二、噬菌体（,phage,）,1.,X174,噬菌体,很小的,E.coli,噬菌体，,DNA,为单链环状，有,5386,个核苷酸。,2.,X174,噬菌体基因排列更加体现经济原则：,a.,11,个蛋白质基因，只转录成三个,mRNA,b.,DNA,分子绝大部分用来编码蛋白质，不翻译部分只占,4,45,重,叠,基因有以下几种情况：,*一个基因完全在另一个基因内部,如：,B,和,A,，,E,和,D,其读码结构互不相同,c.,最显著的特点是有重叠基因（,overlapping genes,或 嵌套基因,nested genes,）,-,ATG,-/-AATGCC-/-ATAACG-/-,TAA,-,A*,B,ATG,CCN-NNA,TAA,46,*部分重叠,:K,和,C,*,两个基因共用少数碱基对，如：,A,*,和,C,，,D,和,J,-ATGA-,C,Start codon,-TAATG-,A*,Stop codon,D,Stop codon,J,Start codon,47,重叠基因：,是指两个或两个以上的基因共有一段,DNA,序列，或是指一段,DNA,序列成为两个或两个以上基因的组成部分。,基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,48,*其基因均是按功能相近的聚集成簇的（两个正调节基因,N,和,Q,除外）,*存在形式,在寄主体内有,溶源生长周期,（原噬菌体）和,溶菌生长周期,两种生活途径,49,基因组很小，大多只有一条染色体,原核生物一般只有一个染色体即一个核酸分子（,DNA,或,RNA),。,结构简炼,:,裸露的,DNA,分子（未与蛋白结合），大多致为双螺旋结构，这些核酸分子又大多数为环状，少数为线状。,存在转录单元,(trnascriptional operon),多顺反子,(polycistron),有重叠基因（,Sanger,发现）,原核生物基因组结构特点,50,第四节 染色体与染色质,染色体,(chromosome),，指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中,由染色质聚缩而成的棒状结构。,染色质,(chromatin),，指间期细胞核内由,DNA,、组蛋白、非组蛋白及少量,RNA,组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式；,51,染色质,染色质,(chromatin),：指间期细胞核内由,DNA,、组蛋白、非组蛋白,及,少量,RNA,组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的主要形式。,有一定数目的染色体组成；,每条染色体中的,DNA,分子为单一线性分子；,细胞核内的,DNA,浓度极高；,高度有序的,DNA,蛋白质复合体,染色质的形成完成了这一紧密组装的目的。,52,在染色质中,蛋白质组分占染色质质量的,50,以上,在细胞周期的不同时段中，染色质具有不同的结构水平,细胞分裂中期,高度浓缩,细胞分裂间期,松散结构,53,54,-,组蛋白,(histone),，,与,DNA,非特异性结合，富含带正电荷的,Arg,和,Lys,等碱性氨基酸，可以和酸性,DNA,紧密结合；,-,非组蛋白,(nonhistone),，,与特异,DNA,序列结合,又称序列特异性,DNA,结合蛋白,(sequence specific DNA binding proteins),。,染色质蛋白包括：,55,非组蛋白具,多样性和异质性,，占,60-70%,，包括多种酶类；,对,DNA,具有识别特异性，对,DNA,双螺旋的大沟,进行识别；,有,多种功能,，包括基因表达调控和染色质高级结构形成。,非组蛋白的特点,:,56,组蛋白（,histone,）,真核生物染色质中的蛋白质主要是,组蛋白,分类,核心组蛋白（,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,）,H1,组成,带有大量的,正电荷,可与带负电的,DNA,紧密结合,20,30,由,赖氨酸,和,精氨酸,（碱性氨基酸）组成,57,H2B,H2A,H3,H4,a,2,a,3,a,1,a,2,a,3,a,1,a,2,a,3,a,1,a,2,a,3,a,1,L1,L2,a,N,58,核小体包含于染色质中，其结构为：,约,200bp,左右的,DNA,片段与,4,种组蛋白中的各,2,个分子构成的八聚体（核心组蛋白）紧密结合，并与,H1,松散结合；,这些组蛋白保护,DNA,免受核酸酶的作用；,组蛋白的另一个作用是约束,DNA,的负超螺旋；,如果丢失,H1,，核小体将变为抗性极强的与组蛋白八聚体结合的,146bp,片段；,59,核小体,（,nucleosome,）真核生物染色质包装的基本结构单位。染色质纤维之基本结构是由核小体串连而成。,它通常含有,200,个碱基对的脱氧核糖核酸（,DNA,）和,9,个组蛋白分子,。,由核小体核心（,nucleosomecore,）和一条含有,H1,组蛋白的连接区,DNA,（,linkerDNA,）所组成。核小体核心由四种组蛋白构成。,核小体（,nucleosome,）,60,61,核小体构成,:,200bp,的,DNA,，与一个组蛋白八聚体相连。每个八聚体包含,H2A,，,H2B,，,H3,和,H4,各两个。,62,核小体是染色体结构的第一个层次，构成染色质的,基本结构单位。,146bpDNA,组蛋白,八聚体核小体的,核心颗粒,直径约,10nm,146bpDNA,盘绕在组蛋白八聚体的表面组成核小体的核心颗粒,63,*,组蛋白八聚体（,Histone octamer,）,H2A,与,H2B,、,H3,与,H4,的亲和力强，通过,C,端的疏水氨基酸结合。,两,个,H3,、,H4,先形成四聚体 结合两个,H2A,和,H2B,的异,二聚体 组蛋白八聚体,64,组蛋白八聚体,146bp,的,核心,DNA,146bp,的核心,DNA,在组蛋白八聚体上盘绕,1.8,圈,65,微球菌核酸酶处理所得核小体,DNA,长度的变化,Mononucleosomes typically have 200 bp DNA.End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp,and then generates core particles with 146 bp.,66,1.,每个核小体单位包括,200bp,左右的,DNA,超螺旋和一个,组蛋白八聚体,及一个分子,H1,；,2.,组蛋白八聚体构成核小体的,盘状核心,结构，由四个异二聚体组成，包括两个,H2AH2B,和两个,H3H4,；,3.146bp,的,DNA,分子超螺旋盘绕组,蛋白八聚体,1.75,圈,组蛋白,H1,在,核心颗粒,外,结合额外,20bp DNA,，,锁住核小体,DNA,进出端，起稳,定核小体的作用；,核小体的结构要点,67,68,4.,两个相邻核小体之间以,连接,DNA,相连，典型长度,60bp,，不同物种变化值为,0,80bp,；,5.,组蛋白与,DNA,之间相互作用基本不依赖于核苷酸的特异序列，核小体具有,自组装,性质；,6.,核小体沿,DNA,的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。,69,H1,的功能,组蛋白,H1,与核小体结合，在,DNA,出入核小体核心颗粒处对,DNA,起稳定作用。,70,Chromatosome,166 bp,2 superhelical turn,Histone H1,*组蛋白,H1,把核小体,“封锁”起来,其中，,166bp,核小体,DNA,的堆积比为,10,56nm,线性长度,5.6nm,螺线管,71,DNA,环绕在组蛋白八聚体外部的路线分布。,DNA,缠绕,1.75,圈，“进”、“出”核小体的位点相距很近。,72,1,分子组蛋白,H1,与核小体结合，在,DNA,出入核小体核心颗粒处对,DNA,起稳定作用；,受,H1,保护片段长约,20bp,；,染色小体,：核心核小体,+H1,长度,：,166bp,73,连接,DNA,连接,DNA,是形成,200bpDNA,片段所需的额外部分；,连接,DNA,平均长度为,55bp,。,74,30nm,纤丝,30nm,纤丝是核小体的进一步组装成的高度有序的,左手螺旋结构,，每圈约,6,个核小体,。,75,染色质高级结构,由,30nm,纤丝,组成环形结构，称为核基质。,环的大小约,100kb,；,为蛋白质复合体所束缚；,环形基质宽约,300nm,。,76,77,第五节、真核生物的染色体,78,一、概述：,*真核,DNA,组蛋白 核小体,*核小体折叠压积 染色质（,chromatin,）,（其它的蛋白质和,RNA,）,*大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在（弥散状）,M,期染色体形式,*染色质有两种型：,a.,常染色质：密度较低，能被表达,b.,异染色质：密度较高，不被表达（着丝粒、端粒）,79,Cell cycle,Interphase,间期,:G1+S+G2,M phase,(mitosis,有丝分裂,):,80,81,异染色质和常染色质,异染色质,：染色体内保持高度浓缩的部分，没有转录活性,.,常染色质：,染色质中非异染色质中的部分，其中有由,30nm,纤丝构成的,染色体环,（不活跃）和,具有转录活性的区域。,82,常染色质,(euchromatin),与,异染色质,(heterochromatin),83,着丝粒（,Centromeres,）,着丝粒,着丝粒,是分裂中期两条姊妹染色单体相连的紧缩区域，是与端粒（一种与纺锤体相连的蛋白复合体）的组装场所。,84,着丝点：,染色体中负责有丝分裂的部位叫着丝点（,centromere,），它有两个重要特征：,它包含姐妹染色单体在分裂成单个染色体之前的结合位点，可看作一个连结四个染色体臂的压缩区域。,运动特征：在有丝分裂期间着丝粒被推到两极，染色体也被拖到两极，将基因拖到等待分裂的位置。,85,酵母着丝粒,Yeast centromere,富含,AT,两侧有高度重复的,卫星,DNA,属异染色质区,86,端粒（,Telomere,）,端粒,是形成真核生物染色体的线型,DNA,分子末端的特化了的序列，,由许多短重复序列构成,（人类是,5,TTAGGG,3,）；,这些序列是由端粒酶以独立于正常,DNA,复制的机制合成的，其功能是,保护染色体末端免受降解,。,87,88,端粒：,密封着染色体末端。,端粒序列：,都有短的正向重复序列：,有一条单链末端，富含,G,，带有,3,OH,；,端粒部分,DNA,受蛋白质保护。,它必须可以保证线性分子的稳定性。,89,端粒酶：,是一个巨大核蛋白，它含有一小段,RNA,。这段,RNA,为合成富含,C,的序列提供了模板。,形成互补序列的碱基对一个接一个以固有的顺序加和在一起。,酶是间断性作用的：模板,RNA,位于,DNA,前体上，几个核苷酸加和到前体上，然后酶又回到原处，开始另一次作用。,90,两个,H3H4,异二聚体由,CAF-1,介导与新合成的裸露的,DNA,结合；,两个,H2AH2B,二聚体由,NAP-1,和,NAP-2,介导加入，组蛋白,H4,的两个位点被乙酰化；,2.,染色质组装的模型,核小体最后的成熟需要,ATP,以及组蛋白的去乙酰化；,6,个核小体组成一个螺线管结构。,(1),染色质组装的前期过程,91,a.,从,DNA,到核小体：是染色质包装第一步，,DNA,长度压缩,7,倍，形成直径,11nm,纤维。,b.,从核小体到螺线管：每,6,个核小体绕一圈，构成外径,30nm,、内径,10nm,管状结构，称螺线管，是染色质包装二级结构，长度再压缩,6,倍。,细胞中染色质以,30nm,纤维形式存在。,（,2,）染色质包装的多级螺旋模型,92,c.,从螺线管到超螺线管：,30nm,纤维进一步螺旋化，形成一系列螺旋域或环，这些环附着在支架蛋白，螺旋环进一步形成超螺旋环，此时直径是,400nm,，该过程又压缩,40,倍。,d.,从超螺旋到染色体,:,压缩,5,倍；从,DNA,到染色体总计被压缩,8400,倍,DNA,核小体,螺线管,超螺线管,染色单体,压缩,40,倍,压缩,5,倍,压缩,7,倍,压缩,6,倍,93,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA double helix,Nucleosome(10 nm fiber),30 nm Fiber,Loops I,Loops II,chromosome,94,（,3,）染色质包装的骨架,-,放射环结构模型,非组蛋白构成染色体骨架,(,chromsomal,scaffold),螺线管折叠形成,DNA,复制环，每,18,个复制环沿染色体骨架纵轴呈放射状平面排列，由中央向四周伸出，结合在核基质上形成微带,(,miniband,),；,微带是染色体高级结构的单位，大约,10,6,个微带沿纵轴构建成子染色体。,95,从,DNA,到染色体的过程,Compaction ratio=8000,96,第六节、真核生物的基因,97,真核基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，在脊椎动物中,90%,左右是非编码序列，而且编码序列大多数被不编码蛋白质的非功能,DNA,所隔开，称为割裂基因，非编码的内含子则存在广泛的序列变异，说明内含子中的大部分序列是无功能的。,98,一、,重复序列：,在,DNA,中有一段碱基序列多次重复出现。根据重复出现的次数可分为：高度重复序列、中度重复序列、单拷贝基因。,99,二、割裂基因,（,splitting gene,）,:,不连续基因（,discontinuous gene,）,断裂基因（,interrupted gene,）,概念：编码某一,RNA,的基因中有些序列并不出现在成熟的,RNA,序列中，成熟,RNA,的序列在基因中被其他的序列隔开。,在基因编码蛋白质的序列中插入与蛋白质编码无关的,DNA,间隔区，使一个基因分隔成不连续的若干区段。,100,1.,割裂基因的发现,通过成熟,mRNA,（或,cDNA,）与编码基因的,DNA,杂交试验而发现,1977,年美国的,Sharp,和,Roberts,两组科学家分别同时发现了断裂基因,(split gene),Crick,称此为分子遗传学上的一次微型革命，这项发现,1993,年荣获了诺贝尔奖,Richard J.Roberts Phillip A.Sharp,Nobel Prize 1993,101,在,Sharp,和,Roberts,发现内含子之前,法国的科学家,Chambon,也率领一个小组进行了有关实验,:,鸡的输卵管分泌卵清蛋白、卵粘蛋白和伴清蛋白，而其红细胞（鸟类的红细胞上有核的）只合成血红蛋白，那么两种组织之间,DNA,有什么不同呢？,于是他们提取两种组织的,DNA,，分别用酶（,EcoR1,和,HindIII,）切成几段，走电泳，再用卵清蛋白,mRNA,来制备,cDNA,探针和以上两种酶切片段进行,Southern,杂交,.,结果两种组织中的,DNA,不论用哪一种酶来切，都出现了相同的多条阳性杂交带。,102,cDNA,顺序内并没有,EcoRI,和,Hind III,的切点，为什么会出现多条阳性带,?,103,Berget,，,Sharp,小组和,Roberts,小组同时发现了腺病毒外壳蛋白六聚体基因（,Hexon gene,）前导区有断裂现象。他们用限制性内切酶,EcoRI,和,HindIII,分别消解腺病毒的,DNA,得到了大小不同的很多片段,.,分别选择两种酶切片段中的最大的,A,片段,DNA,和,exon,的,mRNA,进行杂交,在电镜下可以观察到,EcoRI,酶切的,A,片段的,3,段可以和上述,mRNA,形成杂合双链,但在杂合双链的,5,端逸出,3,个单链,DNA,环，说明它们不能和,mDNA,完全互补,.,104,Berget,在冷泉港作了有关发现断裂基因的学术报告，提出在,Hexon,基因内近,5,端有不编码的部分,.,Chambon,听了报告后便意识到，他们的实验结果也是可以用断裂基因来解释的,:,即卵清蛋白的基因上可能有多个断裂区（内含子）,.,在这些断裂区上有酶切位点的存在，可将卵清蛋白基因切成大小不同的片段，但它们都可以和,mRNA,进行杂交,.,事后,Chambon(1977,1981),等用,Berget,的实验方法进行了分子杂交，果然出现了,7,个单链,DNA,的环,.,105,introns,exons,R,环,鸡的卵清蛋白基因,DNA,与其,mRNA,杂交图,Chambon was inspired by Bergets report,Berget,S.M.,C.Moore,and P.Sharp.1977.PNAS 74;3171-3175,106,外显子（,exon,），,外元,编码的,DNA,序列，即被表达的,DNA,区段,内含子（,intron,），,内元,不编码的,DNA,序列,Gilbert,（,1978,年）提出内含子、外显子概念,107,Exon(,外显子、外元,),DNA,与成熟,RNA,间的对应区域,非间隔区（,unspacer,）,氨基酸的编码区（,amino acid coding region,）,is any segment of an interrupted gene that is represented in the mature RNA product.,原初转录物中通过,RNA,拼接反应而保留于成熟,RNA,中的序列或基因中与成熟,RNA,序列相对应的,DNA,序列。,108,Intron(,内含子、内元,),is a segment of DNA that is transcribed,but removed from within the transcript by splicing together the sequences(exons)on either side of it.,DNA,与成熟,RNA,间的非对应区域,氨基酸的非编码区（,uncoding region,）,间隔区（,spacer,）但被转录,原初转录物中通过,RNA,拼接反应而被去除的,RNA,序列或基因中与这种,RNA,序列相对应的,DNA,序列,.,R-,环（,R-loop,）,：,mRNA,与编码单链,DNA,杂交时，不互补的,intron,部分形成的环,.,109,割裂基因,前体,mRNA,Introns,去除,Exons,连接,110,Precursor mRNA(pre-mRNA),Heterogeneous nuclear RNA(HnRNA),真核生物基因的转录物又称为,所以真核生物基因又称为,Splitting gene,Interrupted gene,间隔基因，断裂基因,前体,mRNA,核内不,均一,RNA,由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内元,111,真核生物（,Eukaryots,）的结构基因是由若干,exon,和,intron,相间隔排列的序列组成的间隔基因。,绝大部分结构基因,tDNA,rDNA,mtDNA,cpDNA,2.Splitting Gene,的普遍性,112,tDNA,Pre-tRNA,Mature tRNA,tDNA also is interrupted gene,113,内含子是如何来的？,内含子的存在究竟有何意义？,它担负着什么样的功能？,内含子又何以能在一些真核生物中非常广泛地分布呢？,114,内含子的特点,:,1.,内含子和外显子的分布,真核基因一般都含有内含子，也有少数基因不含内含子，如干扰素基因，酵母的多数蛋白质基因,1986,年,Chu F.K,等发现,T4,噬菌体的胸苷合成酶基因也含有内含子,此外猿猴病毒,SV40,的,T,和,t,蛋白的基因中也含有长度不等的内含子,115,不同的基因其内含子的大小不相同,有的基因内含子少，如珠蛋白基因只有,2,个内含子，,有的基因内含子很多，如鸡的胶原蛋白（,1a2,）蛋白基因含有,50,个外显子,116,2.,内含子的相对性,117,内含子是相对的，一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子,118,内含子种类,:,I:,内含子可自我剪接，不需任何蛋白质参与，需鸟苷参与,II:,内含子的剪接需要蛋白酶的参与，如,tRNA,III:,内含子的剪接需形成剪接体的形式，除各种蛋白因子外还需各种,snRNP,的参与,小分子核糖核蛋白颗粒（,snRNP,）,119,“内含子存在,(,Introns,early)”,模型,:,内含子与它所在的基因一样古老，在装配第一个这样的基因时，内含子就已存在,.,早期的内含子具有自催化、自我复制等能力，因此，它们是原始基因和基因组的组织与复制必不可少的部分,.,而今天的原核生物和少数低等的真核生物，由于它们需要进行快速的,DNA,复制从而进行快速的细胞分裂，因而失去了内含子,.,内含子起源的两种学说,:,120,现代的内含子是一类进化遗迹，它们之所以能继续存在，是因为具有重新组合基因组中的外显子以形成新的基因的能力，即内含子能赋予其携带者更大的进化潜力。,121,2.“,内含子滞后,(Introns late)”,模型,:,认为原始蛋白质编码单位由非割裂的,DNA,序列组成，内含子是随后插入进去的。,内含子不是基因原有的，而是在进化的某一过程中通过转座作用插入到连续基因中去的，内含子在较高级的功能基因或在真核生物出现之后才产生。,这种假说必须面对一个难题，即内含子最初如何能插入到连续编码的基因中而保持基因的功能不变？,122,2006,年,3,月,2,日,Nature,440(7080):41-45,真核细胞的起源是生殖演化转变的一个标志。德国,Dsseldorf,大学,William Martin,和美国国立卫生研究院,Eugene V.Koonin,提出了一个假说将其与基因序列中的内含子联系起来。基因序列中的内含子属于非编码,DNA,，它在基因转录为信使,RNA,过程中被剪切掉,这个过程需要时间。,因此，两个研究者认为，细胞核和细胞质之间核膜的形成，就是为了给信使,RNA,的拼接以足够的时间，并起到仅使完整的信使,RNA,透过的过滤功能，以使得完整的信使,RNA,能够在细胞质中迅速翻译为蛋白质。他们同时认为，偶然扩散出去的内含子序列与随后演化形成的线粒体有关，并可以作为细胞核和细胞质分化的一个证据。,123,三、一个基因编码两种以上的,mRNA,：,在原核生物中，由于相关基因串联在一起构成操纵子，产生多顺反子,mRNA,，翻译出多种蛋白质。在真核生物中没有操纵子结构，每个基因都单独构成一个转录单位，产生单顺反子,mRNA,，仅编码一种蛋白质。编码两种以上的,mRNA,主要是通过拼接方式来完成的。,124,成簇排列,10,2,10,4,拷贝,1,2,3,3,不转录的间隔区,1 5S rRNA,2,假基因,重复单位间由高,度重复序列隔开,四、基因簇与基因家族,基因家族（,Gene family,）,:,真核生物的基因组中许多来源相同，结构相似、功能相关的一组基因,.,目前可分为三类：,简单多基因家族：,5S rRNA,基因家族,125,复杂多基因家族：,各个成员并不都是相同的,a.,五个组蛋白基因,(,果蝇、海胆等的,),b.rRNA,、,tRNA,基因家族,往往以串联重复基因簇的形式出现,126,组蛋白基因家族（,Histone gene family,）：,一个重复单位,(,基因簇，,gene cluster),的组织情况,H,1,H,4,H,2B,H,3,H,2A,不转录间隔区,海胆,组蛋白基因表达特点：没有内元 没有多聚,A,尾巴,127,rRNA,基因家族（,rDNA gene family,）,海胆,450copies,烟草,750 copies,果蝇,100 copies,T,18s,T,5.8s,T,28s,NT,18s,T,5.8s,T,45s,41s,20s,32s,28s,5.8s,18s,重复单位的组织,一个重复单位内的,转录的间隔区,（内元）,重复单位之间的,不转录间隔区,128,tRNA,基因：,tRNA,约长,70,80 bp,，其基因约长,140 bp,(,内元,)